JPH0643965B2 - Sensor element for measuring substance concentration - Google Patents

Sensor element for measuring substance concentration

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JPH0643965B2
JPH0643965B2 JP62101108A JP10110887A JPH0643965B2 JP H0643965 B2 JPH0643965 B2 JP H0643965B2 JP 62101108 A JP62101108 A JP 62101108A JP 10110887 A JP10110887 A JP 10110887A JP H0643965 B2 JPH0643965 B2 JP H0643965B2
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Abstract

Because of the size of the devices for the excitation or measurement of light, conventional sensor elements for optical determination of the concentration of substances in gaseous and liquid probes, which have an indicator layer with at least one indicator substance are only conditionally suitable for microanalysis instruments, or cannot be produced simply by mass production. To circumvent these disadvantages, it is proposed that at least one photosensitive element (3) and its electrical contact are integrated in a planar arrangement on the carrier layer (1), and that the indicator substance (7, 7') of the indicator layer (6), which is excited by the exciting radiation (11) is in optical contact with the photosensitive elements (3). <IMAGE>

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、担体層及び少なくとも1つの指示薬物質を有
する指示薬層を備えたガス状や流体状の試料中の物質濃
度を測定するためのセンサ素子であって指示薬物質の少
なくとも1つの光学的性質が測定すべき物質との相互作
用においてその物質の濃度に対応して変化するものに関
する。
The present invention relates to a sensor for measuring the concentration of a substance in a gaseous or fluid sample, which comprises a carrier layer and an indicator layer having at least one indicator substance. A device in which at least one optical property of the indicator substance changes in interaction with the substance to be measured in response to the concentration of the substance.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

指示薬物質、特に測定すべき物質との相互作用を通じて
指示薬物質の蛍光指示特性を変化させてしまうようなも
のを備えた物質濃度を測定するための光学センサは、以
前から公知の技術である。ドイツ特許2508637号
からは、例えば、冒頭に述べた種類のセンサ素子が知ら
れており、それによれば指示薬溶液の薄い層が適当な担
体材料に付着され、その指示薬溶液は測定すべき物質に
対して浸透性の膜によって覆われている。この構成の担
体側には連設された光学素子を備えた照射装置と光測定
装置が励起ビーム及び蛍光ビームの路程中に配設されて
いる。
Optical sensors for measuring a substance concentration with an indicator substance, in particular such as to change the fluorescent indicator properties of the indicator substance through interaction with the substance to be measured, are well known techniques. From German Patent No. 2508637, for example, a sensor element of the type mentioned at the outset is known, whereby a thin layer of indicator solution is applied to a suitable carrier material, the indicator solution being dependent on the substance to be measured. Covered by a permeable membrane. On the carrier side of this structure, an irradiation device and an optical measuring device each having an optical element connected in series are arranged in the path of the excitation beam and the fluorescence beam.

東ドイツ特許106086号から知られた構成におい
て、蛍光指示薬は測定室と参照測定室にわたって達して
いる層内に存在しており、この指示薬層は、しかし参照
測定室の領域において測定すべき媒体に対して覆われて
いる。測定室と参照測定室に関しての蛍光強度の差が直
接測定すべき物質の濃度に結び付く。2つの測定室から
の蛍光が光ファイバケーブルを用いて各フォトエレクト
リック変換器に送られる。
In the arrangement known from East German Patent 106086, the fluorescent indicator is present in a layer which extends over the measuring chamber and the reference measuring chamber, this indicator layer being however in the region of the reference measuring chamber relative to the medium to be measured. Covered. The difference in fluorescence intensity between the measurement chamber and the reference measurement chamber is directly linked to the concentration of the substance to be measured. Fluorescence from the two measurement chambers is sent to each photoelectric converter using a fiber optic cable.

上記のセンサは、それで一般に、薄い層の形に形成され
得る反応室から構成され、その反応室には所定の幾何学
的配置で指示薬物質が存在している。試料とは面してい
ない側から、発光源と適当な光学装置、例えば光ケーブ
ル、光ファイバを通じて所定の波長の光が指示薬層に送
られる。指示薬層によって散乱反射された、つまり全方
向に放射された蛍光は、大体反応室あるいは指示薬層の
同じ側から再び適当な光学手段と相応なフィルタ装置を
用いてフォト検出器に送られる。反応室の光学装置に面
していない側は、ガス状又は液状の試料と接触してお
り、その際測定されるべき物質は一般に拡散によって反
応室に達することができ、そして指示薬物質の指示薬分
子との相互作用が起こり、指示薬はその光学的性質、特
に吸収度を物質濃度に対応して変化させる。この変化の
度合と性向が測定されるべき要素と機能的な関係を持
つ。
The sensor described above is thus generally composed of a reaction chamber which can be formed in the form of a thin layer, in which the indicator substance is present in a predetermined geometrical arrangement. From the side not facing the sample, light of a predetermined wavelength is sent to the indicator layer through a luminescence source and a suitable optical device such as an optical cable or an optical fiber. The fluorescence scattered by the indicator layer, i.e. emitted in all directions, is sent to the photodetector from about the same side of the reaction chamber or indicator layer again using suitable optical means and a corresponding filter device. The side of the reaction chamber not facing the optical device is in contact with the gaseous or liquid sample, the substance to be measured then generally being able to reach the reaction chamber by diffusion, and the indicator molecule of the indicator substance. And the indicator changes its optical properties, in particular its absorbance, in response to the substance concentration. The degree and tendency of this change have a functional relationship with the element to be measured.

〔発明が解決すべき問題点〕[Problems to be solved by the invention]

この種の構成の大きさは、一方ではセンサ自体の大きさ
により、他方では光学装置、特に蛍光又は反射ビームを
取り出すために必要な装置の形状と大きさにより決ま
る。この種のセンサの場合、例えばマイクロ分析装置へ
の適用において、これを著しく小型化すること、及び大
量生産技術的に簡単に製造でき、その際できるだけ多く
の従来の反応室つまりは指示薬層が使用できるという課
題が生じてきた。しかし従来のセンサ素子ではこの課題
を解決できないという問題が生じていた。
The size of such an arrangement is determined, on the one hand, by the size of the sensor itself and, on the other hand, by the shape and size of the optical device, in particular the device required to extract the fluorescence or reflected beam. In the case of this type of sensor, for example in microanalyzer applications, it can be significantly miniaturized and can be manufactured in a mass-production technically simple manner, using as many conventional reaction chambers and / or indicator layers as possible. The challenge has arisen. However, the conventional sensor element has a problem that this problem cannot be solved.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

この問題は、本発明によるセンサ素子では、担体層に少
なくとも1つのフォト感応素子とその電気接続手段が平
たんな形成構造でもって集積され、かつ励起ビームによ
って励起される指示薬層の指示薬物質がフォト感応素子
と光学的に接続していることにより解決される。
This problem is due to the fact that in the sensor element according to the invention, at least one photo-sensitive element and its electrical connection means are integrated in the carrier layer with a flat formation structure and the indicator substance of the indicator layer excited by the excitation beam is It is solved by optically connecting with the sensitive element.

〔作用、効果〕[Action, effect]

その際、センサの全ての層は、普通のマイクロエレクト
ロニクス技術、つまりフォトリソグラフ技術、あるいは
プレーナ技術、例えば蒸着、スパッタリング、スピニン
グ、エッティング、イオン打ち込み等で製造され、薄い
層として備えられたセンサ素子の基質へのフォト感応素
子とその電気接続手段の集積によって蛍光ビームつまり
反射ビームを取らえるための装置を含めてセンサ構造全
体の要求される超縮小化が達成される。これでもって測
定されるべきビームの取り込みが好都合にもセンサ素子
自体の中で行なわれ、このことによってセンサ素子以外
のこれまで光測定のために必要であった全ての光学装置
が省略される。その測定信号は相応な電気信号線を介し
て直接表示又は評価系電子機器に送られる。
In this case, all layers of the sensor are manufactured by conventional microelectronics, i.e. photolithographic or planar techniques, such as evaporation, sputtering, spinning, etching, ion implantation, etc., and the sensor elements are provided as thin layers. Due to the integration of the photo-sensitive element and its electrical connection means on the substrate, the required ultra-miniaturization of the whole sensor structure is achieved, including the device for capturing the fluorescent or reflected beam. With this, the acquisition of the beam to be measured is expediently carried out in the sensor element itself, which eliminates all the optical devices heretofore required for optical measurements other than the sensor element. The measurement signal is sent directly to the display or evaluation electronics via the appropriate electrical signal line.

センサ素子内における光エレクトリック構成素子間の電
気接続は本発明の意味において何ら制限を示すものでは
ない。何故なら相応な接続線はいずれにしてもよく知ら
れたマイクロエレクトロニクス技術で形成されるからで
ある。
The electrical connection between the optoelectronic components in the sensor element is not limiting in the sense of the invention. This is because the corresponding connecting lines are in any case formed by the well-known microelectronics technology.

好都合にも本発明によるセンサ素子では、種々の特別な
目的を果たすよく知られた指示薬層を用いることができ
る。特に酸素、COそれにPH値あるいはその種のイ
オン濃度の測定のための指示薬分子の吸収又は蛍光の変
化に基づくその種のセンサのための種々の指示薬層の形
成は、ヨーロッパ出願0109958号、010995
9号、そして0105870号から知られており、これ
らは本発明と組み合わせて、利点を発揮して用いられ
る。
Advantageously, the sensor element according to the invention may use well-known indicator layers which serve various special purposes. The formation of various indicator layers for sensors of that kind, in particular on the basis of changes in the absorption or fluorescence of the indicator molecules, for the measurement of oxygen, CO 2 and PH values or of the ionic concentration of such species, is described in European Application No. 0109958, 010995.
No. 9, and 0105870, which are used to their advantage in combination with the present invention.

もちろん米国特許4568518号によるセンサ層を利
用することも可能であり、その際例えばセルロースから
作られた担体膜は指示薬材料及び反応基を含む材料から
作られる独立した網状物によって浸透される。
It is of course also possible to use the sensor layer according to US Pat. No. 4,568,518, in which case the carrier membrane, for example made of cellulose, is permeated by a separate network made of a material containing indicator material and reactive groups.

指示薬物質のための好都合な励起状態を作り出すため、
あるいは測定すべきビームから励起ビームを良好に分離
できるために、本発明の一実施態様での幾何学的構造で
は、励起ビームに対して透過性である少なくとも1つの
領域を備えるとともにフォト感応素子を含む基質と指示
薬層との間に励起ビーム及び測定すべきビームに対して
透過性であるカップリング層が存在することが要求され
る。この光学的透過性のカップリング層、例えばSiO
は、適当なマイクロエレクトロニクス技術、例えばス
パッタリングによって付着される。この層の厚さは、個
々のフォト感応素子の地勢的配置の幾何学的構造によっ
て左右される。フォト感応素子を備えている基質はカッ
プリング層と同じ材料で構成することも可能であり、そ
の場合フォト感応素子とその電気接続は担体層に直接付
着され、続いてカップリング層内に注ぎ込まれる。この
個々の素子ないしはその光学的カップリング層を介して
全体の構造の領域にわたって大体ポリマーから成る蛍光
指示薬を有する指示薬層が配設される。
To create a favorable excited state for the indicator substance,
Alternatively, in order to allow good separation of the excitation beam from the beam to be measured, the geometry in one embodiment of the invention comprises at least one region that is transparent to the excitation beam and comprises a photo-sensitive element. It is required that there is a coupling layer between the containing substrate and the indicator layer that is transparent to the excitation beam and the beam to be measured. This optically transparent coupling layer, eg SiO
The 2 is deposited by a suitable microelectronic technique such as sputtering. The thickness of this layer depends on the geometry of the topographical arrangement of the individual photo-sensitive elements. The substrate provided with the photo-sensitive element can also be composed of the same material as the coupling layer, in which case the photo-sensitive element and its electrical connection are directly attached to the carrier layer and subsequently poured into the coupling layer. . Through this individual element or its optical coupling layer there is arranged an indicator layer with a fluorescent indicator which consists essentially of a polymer over the area of the entire structure.

励起ビームの測定すべきビームからのより良好な光学
的、幾何学的分離を行なうために本発明による別な実施
態様において、屈折率nを有するカップリング層が両
側に備えられた屈折率nを有する境界層と共働して測
定すべきビームのための平たんな光導路を形成し、その
際前記屈折率nは前記屈折率nより大きく、かつ試
料に面した方の前記境界層が少なくとも1つの空所を備
えており、その空所に指示薬層が備えられ、かつ前記空
所が励起ビームの方向で見て励起ビームに対して透過性
の領域の上方に位置し、かつ測定すべきビームの全反射
がフォト感応素子の領域内でなくなるように構成されて
いる。光導路のために必要なガラス層は反応的に援護さ
れたスパッタリングによって付着される。光を導く中心
層ないしはカップリング層は1μmより厚くあるべき
で、このことが測定すべきビーム波長の数倍に対応し、
この層が良好に光を導くことができる。その両側に備え
られた境界層は、導かれる波長の凋落性のフィールドに
十分な寸法を有するために、1〜2μmの厚さにされる
べきである。この構成では励起ビームの発散は、へりの
ビームが境界面n/nでの急傾斜角のため、失われ
て行くので、たいした意味を持たない。
In order to achieve a better optical and geometrical separation of the excitation beam from the beam to be measured, in another embodiment according to the invention, a coupling layer with a refractive index n 2 is provided on both sides with a refractive index n. 1 to form a flat light guide for the beam to be measured, the refractive index n 2 being greater than the refractive index n 1 and the one facing the sample. The boundary layer comprises at least one void, the void being provided with an indicator layer, said void being located above a region transparent to the excitation beam when viewed in the direction of the excitation beam; And the total internal reflection of the beam to be measured is eliminated in the region of the photo-sensitive element. The glass layer required for the light guide is deposited by reactively assisted sputtering. The central layer or coupling layer for guiding light should be thicker than 1 μm, which corresponds to several times the beam wavelength to be measured,
This layer can guide light well. The boundary layers provided on both sides should be 1-2 μm thick in order to have sufficient dimensions for the falling field of the guided wavelength. The divergence of the excitation beam this configuration, edge beams steep angle at the interface n 2 / n 1, so go lost, no much sense.

本発明による特に利点を与える実施態様として、励起ビ
ームに対して透過性であるただ1つの領域が備えられ、
フォトダイオード等のフォト感応素子が前記領域に対し
て同芯状で円形の構造を有しているこの種のセンサは、
例えばフォトダイオード(フォト感応素子として)の全
ての層を既に載せているウェーハからリング状のダイオ
ード構造がエッティングで取り出されることによって実
現することができる。生じさせられた中央の円形開口部
はスパッタリングにより屈折率nを有するガラスで充
填される。さらに再び屈折率nを有するガラスないし
は樹脂層がスパッタリングないしはスピニングで形成さ
れる。ここで屈折率nを有する層内で全反射を起こす
ためにnはnより大きくなければならない。センサ
層のための空間を作り出すために、後者の層から1つの
中央円板がエッティングで取り出される。続いて出発基
質がガラス層のところまで穴あけされ、励起ビームのた
めの入口を作り出す。センサ層のためのその中央の空所
には、例えばガスセンサの製造のため色素を含むシリコ
ン層(屈折率n)が入れられる。その際重要なこと
は、センサ体積の全体をできるだけ完全に使用するため
に、シリコン層はその下に位置する層によく似た屈折率
を有することである。
In a particularly advantageous embodiment according to the invention, only one region is provided which is transparent to the excitation beam,
A sensor of this type in which a photo-sensitive element such as a photodiode has a concentric and circular structure with respect to the region,
This can be achieved, for example, by etching out a ring-shaped diode structure from a wafer on which all the layers of the photodiode (as a photo-sensitive element) have already been placed. The resulting central circular opening is filled with glass having a refractive index n 1 by sputtering. Further, a glass or resin layer having a refractive index n 2 is again formed by sputtering or spinning. N 2 should be greater than n 1 in order to cause the total reflection in the layer having a wherein a refractive index n 2. From the latter layer one central disc is removed by etching to create space for the sensor layer. The starting substrate is then drilled down to the glass layer, creating an entrance for the excitation beam. The central cavity for the sensor layer is filled with a dye-containing silicon layer (refractive index n 2 ) for the production of gas sensors, for example. What is then important is that the silicon layer has an index of refraction much like that of the underlying layer in order to use the entire sensor volume as completely as possible.

本発明によるさらに特別な実施態様では、励起ビームが
好ましくは40゜〜60゜の角度αをもって指示薬層に
入射し、そしてフォト感応素子の上方に位置している指
示薬層を励起するように基質内に透過性の領域が斜めに
配設されている。この提案された励起幾何構造により、
フォト感応素子の上方に位置する指示薬層の領域の特に
すぐれた励起が生じ、このことによりセンサの利用信号
の利得が向上される。
In a more particular embodiment according to the invention, the excitation beam impinges on the indicator layer preferably at an angle α of between 40 ° and 60 ° and is intra-substrate so as to excite the indicator layer located above the photo-sensitive element. A transparent region is obliquely arranged in the. With this proposed excitation geometry,
Particularly good excitation of the region of the indicator layer located above the photo-sensitive element occurs, which improves the gain of the sensor utilization signal.

励起ビームの特に好都合な送り込みのために、本発明に
よれば、励起ビームに対して透過性の領域内で光ケーブ
ル、特に単一ファイバの端部が終端づけられており、さ
らには、励起ビームに対して透過性の領域内にフィルタ
層、特に光学干渉フィルタが備えられている。これでも
って、直接センサ内で指示薬物質の励起のために適した
波長が励起ビームからフィルタ処理される。測定信号を
伝送する電気ケーブルは、好ましくは光ケーブルととも
に延ばされ、その際規定のプラグ(例えばBNCプラグ
や光伝送用プラグ)が信号や光伝送のために利用され
る。
Due to the particularly advantageous delivery of the excitation beam, according to the invention, the end of the optical cable, in particular of the single fiber, is terminated in a region transparent to the excitation beam, and A filter layer, in particular an optical interference filter, is provided in the region which is transparent. With this, the wavelengths suitable for excitation of the indicator substance directly in the sensor are filtered from the excitation beam. The electrical cable carrying the measurement signal is preferably extended together with the optical cable, in which case a defined plug (for example a BNC plug or an optical transmission plug) is used for the signal or optical transmission.

さらに本発明の利点を有する変形例によれば、微細区域
内に備えられるフォト感応素子及び隣接する微細区域内
に配置される発光源はその電気入出力線とともに平たん
な形成構造で担体層上に集積され、かつ指示薬層の指示
薬物質は発光源及びフォト感応素子と光学的に接続され
ている。
According to a further variant with the advantages of the invention, the photo-sensitive elements provided in the micro-areas and the light-emitting sources arranged in the adjacent micro-areas have a flat structure on the carrier layer together with their electrical input / output lines. And the indicator substance of the indicator layer is optically connected to the light emitting source and the photo-sensitive element.

発光源の付加的な集積によってセンサ構造全体の縮小化
がさらに可能となる。利点を与えるものとしてこのセン
サ素子は多くの電気接点のみを備えており、このことに
よりセンサ素子以外全く全ての光学装置が省略される。
その際、適当な担体層上で所定の地勢的配置において隣
接する微細区域に多数の発光する又は蛍光を発する半導
体区域が置かれ、その区域に狭い空間的な隣接関係をも
ってフォト感応半導体区域がフォトダイオード又はフォ
トトランジスタの形で介装されている。そのような発光
源は、発光ダイオード構造や又はエレクトロルミネサン
スを備えた薄膜構造(例えばH・アントソン他による
“SIMSによる薄膜エレクトロルミネサンスの性質と
その他の分析的技法”;分析化学、1985、322、
P175〜180)によって実現されることができる。
この種の半導体構造は、一般のマイクロエレクトロニク
ス技術により適当な基質に数ミクロンメータの寸法で付
着つまり形成される。発光区域つまり発光源は、これら
がともに希望する光ビームを放射するために一定の電圧
を加えることにより、ないしは一定量の電流を流すこと
により励起するように電気的に接続されている。半導体
工学においては、電気励起の際所定の希望する波長を放
射するために、例えば発光ダイオードやエレクトロルミ
ネサンス層が作り出されるべき材料のグループが知られ
ている。さらにこのセンサの利点はその大量生産技術的
に簡単な製造性にある。
The additional integration of the light emitting sources further allows the overall size of the sensor structure to be reduced. As an advantage, this sensor element is provided with only a large number of electrical contacts, which eliminates all optical devices other than the sensor element.
In this case, a large number of light-emitting or fluorescent semiconductor regions are placed in adjacent micro-areas in a given topographical arrangement on a suitable carrier layer, and the photo-sensitive semiconductor areas are exposed to the photo-sensitive semiconductor areas with a narrow spatial adjacency. It is interposed in the form of a diode or phototransistor. Such sources include light emitting diode structures or thin film structures with electroluminescence (eg H. Anthosson et al., "Thin Film Electroluminescent Properties by SIMS and Other Analytical Techniques"; Analytical Chemistry, 1985, 322). ,
P175-180).
Semiconductor structures of this kind are deposited or formed by standard microelectronic techniques on a suitable substrate with dimensions of a few microns. The light emitting areas or sources are electrically connected so that they are both excited by applying a constant voltage or by applying a constant amount of current to emit the desired light beam. In semiconductor engineering, a group of materials is known in which, for example, light emitting diodes and electroluminescent layers are to be produced in order to emit a desired wavelength of interest upon electrical excitation. Furthermore, the advantage of this sensor lies in its manufacturability, which is technically simple in mass production.

水溶液中の電解質濃度を定める場合、以前の提案によれ
ば、イオン選択性電極のイオン選択性層に生じるポテン
シャル差、これは電解質濃度のための値であるが、この
ポテンシャル差が、イオン選択性層にポテンシャル選択
性の蛍光指示薬を付け、その蛍光強度を測定することに
よって測定される。上記の提案に基づく指示薬層を有す
るところの本発明によるセンサ素子は、非常に小さな寸
法をもつセンサとなるのである。
When determining the electrolyte concentration in an aqueous solution, according to the previous proposal, the potential difference that occurs in the ion-selective layer of the ion-selective electrode, which is the value for the electrolyte concentration, is the potential difference. It is measured by attaching a potential-selective fluorescent indicator to the layer and measuring its fluorescence intensity. The sensor element according to the invention having an indicator layer according to the above proposal results in a sensor with very small dimensions.

放射された光と再帰する光とを分けるため、本発明によ
れば、ここでは、一方での発光源又はフォト感応素子あ
るいはその両方と他方での指示薬層との間に光学的透過
性のカップリング層が置かれていることが要求される。
In order to separate the emitted light and the returning light, according to the invention, an optically transparent cup is here provided between the light-emitting source and / or the photo-sensitive element on the one hand and the indicator layer on the other hand. It is required that the ring layer is placed.

しかしながら、発光源とフォト感応素子を同じ基質上に
集積しないことも全く可能であり、それは本発明による
さらに別な実施態様では、発光源を形成する半導体構造
と必要に応じてその電気接点が固有の基質に集積され、
その基質が発光源によって占有されている担体層の微細
区域内に付着されている。例えば、基本基質、つまり一
種類の光半導体を付着させることができる担体層上で他
の構造体が集積される箇所に、前以てCo−基質が重ね
られる。フォト感応素子を付着するまえにCo−基質を
用意しておくことももちろん可能である。
However, it is entirely possible that the light-emitting source and the photo-sensitive element are not integrated on the same substrate, which, in a further embodiment according to the invention, is such that the semiconductor structure forming the light-emitting source and, if necessary, its electrical contacts are unique. Accumulated on the substrate of
The substrate is deposited in the micro areas of the carrier layer occupied by the luminescent source. For example, a Co-substrate is overlaid in advance on the basic substrate, ie on the carrier layer to which one type of optical semiconductor can be deposited, on which other structures are to be deposited. Of course, it is also possible to prepare the Co-substrate before attaching the photo-sensitive element.

発光構成要素と光感応構成要素の地勢的配置に関して基
本的には制限はない。ただそれぞれ1つ又は複数の発光
源を1つ又は複数のフォト感応素子の隣合わせに位置さ
せることが要求される。
There are basically no restrictions regarding the topographical arrangement of the light emitting components and the light sensitive components. However, it is required that each one or more light emitting sources be located next to one or more photo-sensitive elements.

その際本発明によれば、微細区域を担体層上に碁盤じま
状に配置させ、その際前記微細区域を発光源とフォト感
応素子によって交互に占有させることも可能である。
In this case, it is also possible according to the invention to arrange the micro-areas in a checkerboard pattern on the carrier layer, wherein the micro-areas are alternately occupied by the light-emitting sources and the photo-sensitive elements.

本発明のさらに別な変形例において、微細区域を担体層
上にハチの巣状に配置させ、その際それぞれ1つの発光
源に対して異なるフィルタ材料を備えた少なくとも2つ
の等間隔なフォト感応素子を配置させることも可能であ
る。各発光源はその幾何学的な放射特性によりその上方
に位置する指示薬層において指示薬物質の一定の部分に
のみ達し、それを蛍光させるために励起する。そこから
指示薬物質の蛍光が原理的には全ての方向に一様に放射
され、少なくとも2つの等間隔に配置されたフォト感応
素子に達する。この素子が異なった波長に対して異なっ
た透過性をもつフィルタ材料を備えていると、多数の波
長領域での蛍光スペクトルの強度を同時に定めることが
できる。上記の6角形のハチの巣状構造においては、そ
れぞれ1つのフォト感応素子を複数の発光素子で取り囲
みセンサ素子の信号利得を向上させることももちろん可
能である。
In a further variant of the invention, the micro-areas are arranged in a honeycomb manner on the carrier layer, wherein at least two equally spaced photo-sensitive elements are provided, each with a different filter material for one emission source. It is also possible to arrange. Due to its geometric emission properties, each light source reaches only a certain part of the indicator substance in the indicator layer above it and excites it to fluoresce. From there, the fluorescence of the indicator substance is in principle emitted uniformly in all directions and reaches at least two equally spaced photo-sensitive elements. If this element is provided with a filter material having different transmission for different wavelengths, the intensity of the fluorescence spectrum in a number of wavelength regions can be determined simultaneously. In the hexagonal honeycomb structure described above, it is of course possible to surround one photo sensitive element with a plurality of light emitting elements to improve the signal gain of the sensor element.

続いて本発明によるさらに別な構成においては、発光
源、好ましくはLEDがそれぞれ円環状構造のフォト感
応素子、好ましくはフォトダイオードやフォトトランジ
スタによって囲まれている。ここではトランスミッター
とレシーバ;つまり例えばフォトダイオードとフォトト
ランジスタは集積ユニットを作っている。
Subsequently, in a further configuration according to the invention, the light emitting source, preferably the LED, is each surrounded by a photo-sensitive element of annular structure, preferably a photodiode or a phototransistor. Here a transmitter and a receiver; that is to say for example a photodiode and a phototransistor form an integrated unit.

この構成の利点は、光源の放射角ないしはフォトレシー
バの受け入れ角の間には本質的に大きな重なりが生じる
ので、指示薬分子の反射つまり蛍光の利用における高い
効率にある。もちろんリング状構造の代りに四角形構造
を用いることも可能である。多くのそのような構成を順
々に連結していくことができ、そして指示薬層ないしは
いずれにせよ種々の分析値のための光学フィルタを適当
に載せることにより感応性にすることができる。
The advantage of this arrangement is its high efficiency in the use of the reflection or fluorescence of the indicator molecule, since there is essentially a large overlap between the emission angle of the light source and the acceptance angle of the photoreceiver. Of course, it is also possible to use a square structure instead of the ring-shaped structure. Many such configurations can be connected in sequence and can be made sensitive by the appropriate mounting of an indicator layer or, in any case, optical filters for different analytical values.

これまで記載された構成は、好ましくは蛍光指示薬物質
の使用のために考えられていたが、吸収指示薬にも適用
することができる。しかし、蛍光指示薬では、励起光の
波長と蛍光の波とが、いわゆるストークスシフト(Stok
es-Schift)つまり波長差により互いにはっきりと分離
され、そして発光源側及びフォト感応素子側につまり両
側に付けられた光学フィルタにより、きわめて鋭く互い
に分離されることが可能であるという利点を有してい
る。上記の分離は測定時の望ましくないノイズを避ける
ための付加的手段を提示している。
The configurations described up to now have preferably been conceived for the use of fluorescent indicator substances, but can also be applied to absorption indicators. However, in a fluorescent indicator, the wavelength of excitation light and the wave of fluorescence are so-called Stokes shift (Stoks shift).
es-Schift), that is, they are clearly separated from each other by a wavelength difference, and have the advantage that they can be separated very sharply from each other by an optical filter attached to the light source side and the photo-sensitive element side, that is, both sides. ing. The above separation presents an additional measure to avoid unwanted noise in the measurement.

事情によって発光源とフォト感応素子が同じ担体層に付
着させることができず、適当なCo−基質が使えないと
いう問題を解消するために、本発明によるさらに別な変
形例によると、一方では発光源をそして他方ではフォト
感応素子を互いに平行な面に備へ、その際発光源は好ま
しくは関連する蛍光層を形成し、さらにこの蛍光層は担
体層に付着され、かつフォト感応素子を形成する半導体
構造は蛍光層を覆っている基質上に集積され、かつ前記
基質は蛍光層と指示薬層の光学的接続を可能にする領域
を備えている。その際基本基質上にフォト感応素子が付
着、つまり形成され、その上に位置し指示薬層を含む前
述した層を載せることができる。この光透過性領域を備
えた基質の下側に適当な波長の発光源が置かれ、この発
光源はフォト感応素子の間に拘束されていない中間域を
通じて励起光を送る。この光源は例えば単一のエレクト
ロルミネサンス層によっても実現されることができる。
その他の可能な変形例において、発光素子自体を含まな
いセンサ構造は別個に作られた発光手段にハイブリッド
技術、例えば接着等でもって付着させられる。
In order to solve the problem that the light emitting source and the photo-sensitive element cannot be attached to the same carrier layer under some circumstances and a suitable Co-substrate cannot be used, according to yet another variant according to the invention, The source and, on the other hand, the photo-sensitive elements in parallel planes to one another, the light-emitting source preferably forming an associated phosphor layer, which phosphor layer is further attached to a carrier layer and forms the photo-sensitive element. The semiconductor structure is integrated on a substrate overlying the fluorescent layer, said substrate comprising regions which allow optical connection between the fluorescent layer and the indicator layer. The photo-sensitive element is then deposited or formed on the basic substrate, on which the abovementioned layers, including the indicator layer, can be placed. A light source of suitable wavelength is placed under the substrate with the light transmissive region, and the light source sends the excitation light through an unconfined intermediate region between the photo sensitive elements. This light source can also be realized, for example, by a single electroluminescent layer.
In another possible variant, the sensor structure, which does not include the light-emitting element itself, is attached to the separately produced light-emitting means by hybrid techniques, such as gluing.

光学的に透過でない基質では、基質の光学的な接続のた
めに必要とされる領域は、孔のエッティング形成又はレ
ーザ技術を用いてのパーフォレイションを取り入れるこ
とにより得られる。
For substrates that are not optically transparent, the area required for the optical connection of the substrates is obtained by the introduction of perforations using hole etching or laser techniques.

異なった面でのエレクトロオプティック構成要素形成の
上記の原理は逆にすることもでき、発光源が必要に応じ
て光透過性基質に備えられ、この基質の下側に光感応素
子が置かれている。
The above principles of electro-optic component formation on different sides can be reversed, with a light-emitting source optionally provided on a light-transmissive substrate, with a light-sensitive element below the substrate. There is.

本発明によるさらに別な変形例ではフォト感応素子を載
せた基質と蛍光層との間に光学フィルタ層を置いてい
る。又別な本発明の実施態様として、カップリング層は
周期格子構造等の回折構造を備えており、この回折構造
はフォト感応素子の上方に位置する指示薬層の領域内に
おいて励起ビームが偏向するものがある。カップリング
層での回折構造は励起ビームのためのフォーカスさせる
光学素子として用いられ、その際この格子構造のわずか
な構造高さ(ホログラフ構造)が利点を与える。0.3
μmの厚さで製造されるホログラフ構造を最適に利用す
るため小さなスペクトル帯域幅を有するできるだけ平行
な光が用いられる。この構造の効果は、わずか5〜10
゜の発散角とわずか5〜10nmのスペクトル帯域をも
って保証される。
In a further variant according to the invention, an optical filter layer is placed between the substrate on which the photo-sensitive element is mounted and the fluorescent layer. In another embodiment of the present invention, the coupling layer is provided with a diffractive structure such as a periodic grating structure, and the diffractive structure deflects the excitation beam in the region of the indicator layer located above the photo sensitive element. There is. The diffractive structure in the coupling layer is used as a focusing optical element for the excitation beam, the slight structural height (holographic structure) of this grating structure providing the advantage. 0.3
In order to optimally utilize the holographic structure produced with a thickness of μm, as parallel light as possible with a small spectral bandwidth is used. The effect of this structure is only 5-10
Guaranteed with a divergence angle of ° and a spectral band of only 5-10 nm.

蛍光から励起光を良好に区別するために、又は多くの異
なる波長に関して評価するために、本発明の別な変形例
において、フォト感応素子又は発光源あるいはその両方
は付加的に光学フィルタ層好ましくは光学干渉フィルタ
によってかぶせられることが可能である。蛍光指示薬の
適当な選択の場合、ないしは散乱反射測定の場合では事
情によっては両方のフォトエレクトリック素子がそれぞ
れ1つのフィルタ層を載せることが必要とされない。
In order to better distinguish the excitation light from the fluorescence or to evaluate with respect to many different wavelengths, in another variant of the invention, the photosensing element and / or the light emitting source are additionally provided with an optical filter layer, preferably It can be covered by an optical interference filter. In the case of a suitable choice of fluorescent indicator, or in the case of scatter reflection measurements, it is not necessary for both photoelectric elements to each carry one filter layer.

本発明によるさらに別な実施態様には干渉フィルタのス
ペクトル透過性の角度依存性を利用しており、カップリ
ング層と指示薬層との間に干渉フィルタが存在し、この
干渉フィルタが所定の入射角に対して励起ビームと指示
薬物質から放射される蛍光ビームのために異なった伝送
係数を有している。入ってくるビームがフィルタ表面に
対し直角で入射しない限り、干渉フィルタではその透過
領域がより短波長の方にシフトすることが知られてい
る。このことにより、干渉フィルタの透過性の角度に依
存するスペクトルシフトが短波長の励起光と長波長の蛍
光とを区別するために利用される。その場合、短波長の
励起光は、入射角αが所定の限界角、例えば30゜より
大きい場合のみフィルタ層を通過することができる。長
波長の蛍光は、入射角βが所定の限界角、例えば25゜
より小さい場合のみフィルタ層を通過する。フォト感応
素子ないしは発光源の指示薬層に関しての相対位置は、
この光学的事実に基づいて、信号利得が最大となるよう
に最適化される。発光源、例えばLEDによって長波長
(蛍光に対してスペクトル的に)の光が放射される場
合、LEDによって放射される長波長光又はその散乱光
がフォト感応素子、例えばフォトトランジスタに達する
ことを阻止する相応な角度条件が有効である。
Yet another embodiment according to the present invention takes advantage of the angular dependence of the spectral transmission of an interference filter, where there is an interference filter between the coupling layer and the indicator layer, which interference filter has a predetermined incidence angle. In contrast, the excitation beam and the fluorescent beam emitted from the indicator substance have different transmission coefficients. It is known that interference filters shift their transmission region towards shorter wavelengths unless the incoming beam is incident at a right angle to the filter surface. As a result, the spectral shift depending on the angle of transmission of the interference filter is used to distinguish between short-wavelength excitation light and long-wavelength fluorescence. In that case, the short-wavelength excitation light can pass through the filter layer only when the incident angle α is larger than a predetermined limit angle, for example, 30 °. Long-wavelength fluorescent light passes through the filter layer only when the incident angle β is smaller than a predetermined limit angle, for example, 25 °. The relative position of the photo sensitive element or the light emitting source with respect to the indicator layer is
Based on this optical fact, the signal gain is optimized for maximum. Prevents long-wavelength light emitted by an LED or its scattered light from reaching a photo-sensitive element, eg a phototransistor, when long-wavelength (spectral relative to fluorescence) light is emitted by a light emitting source, eg an LED. The appropriate angle condition is effective.

ガス状や液状の試料中の多くの物質濃度を同時に定めよ
うとする場合、本発明のさらに別な実施態様では、指示
薬層には各1つのフォト感応素子を配設した微細区域が
備えられ、この微細区域は異なった指示薬物質を有して
いる。これで、発光構成要素とフォト感応構成要素との
任意の地勢的配置をもったセンサ素子を用いて、同一試
料から同時に多くの異なった物質を測定することができ
る。その際本発明による効果的な実施例によれば、指示
薬層は多孔性ガラスから成り、そのガラス内に指示薬物
質を固定化することが可能である。
If it is intended to determine the concentration of many substances in a gaseous or liquid sample at the same time, in a further embodiment of the invention, the indicator layer is provided with micro-areas each provided with one photo-sensitive element, This microarea has a different indicator substance. Now, many different substances can be measured from the same sample at the same time using sensor elements with arbitrary topographical arrangements of light-emitting and photo-sensitive components. According to an advantageous embodiment of the invention, the indicator layer then consists of a porous glass, in which it is possible to immobilize the indicator substance.

PH−センサを製造するため、例えば微細多孔ガラスが
用いられ、これはスパッタリングされる。これに色素が
化学的に固定化され、必要に応じて、例えばPVAから
作られる蛋白質不透過性層が蒸着される。
For manufacturing PH-sensors, for example, microporous glass is used, which is sputtered. A dye is chemically immobilized on this, and if necessary, a protein-impermeable layer made of, for example, PVA is vapor-deposited.

本発明の他の構成では、指示薬層は例えばスピニング又
は圧延されたシリコンから成り、その中に指示薬物質を
備えることが可能である。
In other configurations of the invention, the indicator layer may be comprised of, for example, spun or rolled silicon with the indicator substance contained therein.

本発明による特別な実施態様では、指示薬物質の指示薬
分子は光学カップリング層に直接化学的に接続されてい
る。光学的カップリング層を構成する材料が直接的な固
定化に適していない場合、他の材料、例えば適当な材料
から上側に位置する層が付着され、そこに指示薬分子の
化学的固定化が行なわれることを可能にする。
In a particular embodiment according to the invention, the indicator molecule of the indicator substance is directly chemically connected to the optical coupling layer. If the material of which the optical coupling layer is composed is not suitable for direct immobilization, an overlying layer is deposited from another material, for example a suitable material, on which chemical immobilization of the indicator molecule takes place. It is possible to be.

わずか100マイクロメータの直径を有する指示薬層の
領域に異なった指示薬物質を付着するために指示薬物質
がマイクロスクリーン印刷や蒸着によって付着されるこ
とも可能である。その際写真法で作られたマスクにより
設定された所定の区域に薄い物質層がマイクロスクリー
ン印刷やその種の方法で区別される。
It is also possible for the indicator substance to be deposited by microscreen printing or vapor deposition in order to deposit different indicator substances in the area of the indicator layer having a diameter of only 100 micrometers. A thin material layer is then distinguished by means of microscreen printing or other such method in defined areas set by a photographic mask.

指示薬層がその試料に面している側に被覆層を備えるこ
とも可能である。簡単には、この被覆層は注入された色
素を有する薄いポリマー層から構成され、励起光と蛍光
が試料室間に達することのないようにされ、妨害ノイズ
として共に測定される物質の望ましくない反射又は蛍光
が励起を防ぐ。種々の試料材料の屈折率の違いは被覆層
の付着により意味を成さなくなる。さらに適当な被覆層
によって、測定結果に影響を及ぼされる試料の粗大分子
構成要素が指示薬層から遠ざけられることができる。選
択性作用を有する被覆層を付着することも可能であり、
これによって測定すべき物質は優先的に指示薬層に散乱
して行くことができる。カップリング層が光導路として
機能する実施例のために、被覆層が試料に面した側の境
界層の課題を肩代りするように、それに応じた屈折率を
有する被覆層を選択することも可能である。蛍光ではな
く、指示薬の吸収ないしは散乱反射を利用するセンサ素
子では、一般に試料の方の指示薬層の境界層に反射材料
と必要に応じて付加的に光学的被覆層を備えることが必
要である。
It is also possible to provide a coating layer on the side of the indicator layer facing the sample. Briefly, this coating layer is composed of a thin polymer layer with injected dye to prevent excitation light and fluorescence from reaching the sample chamber, and undesired reflections of substances that are measured together as disturbing noise. Or fluorescence prevents excitation. The difference in the refractive index of the various sample materials becomes meaningless due to the adhesion of the coating layer. Furthermore, by means of a suitable coating layer, the macromolecular constituents of the sample which influence the measurement result can be kept away from the indicator layer. It is also possible to apply a coating layer having a selective action,
As a result, the substance to be measured can be preferentially scattered in the indicator layer. For the embodiment in which the coupling layer functions as a light guide, it is also possible to select a coating layer with a corresponding refractive index so that the coating layer takes over the task of the boundary layer on the side facing the sample. Is. Sensor elements that utilize absorption or scattered reflection of the indicator rather than fluorescence generally require the boundary layer of the indicator layer towards the sample to be provided with a reflective material and optionally an additional optical coating layer.

この種の平たんなマイクロセンサのさらに別な利点は、
既に述べたマイクロエレクトロニクス技術による大量生
産の可能性とともに、担体層及びいずれにしても、さら
にこれと接続されている基質上に電子回路が集積され、
その電子回路は発光源によって生成されるビームの明る
さの調節又はフォト感応素子の電気信号の増幅あるいは
その両方のための機能することが可能なことにある。
Yet another advantage of this type of flat microsensor is:
With the possibility of mass production by the already mentioned microelectronics technology, electronic circuits are integrated on the carrier layer and in any case further on the substrate connected to it,
The electronic circuit is capable of functioning for adjusting the brightness of the beam generated by the light emitting source and / or for amplifying the electrical signal of the photo-sensitive element.

これ以上の高集積化は、本発明によれば、担体層上に高
集積された電子回路が備えられ、この電子回路は信号評
価の機能を受け持つことにより行なわれる。例えば、個
々の微細区域の光感応素子に異なった色付けをされたガ
ラスをスパッタリングすること及びこの色見本、つまり
異なった透過性をもつフィルタをマイクロ電子回路にお
いて考慮することで、その際色Iに回路Iが、色IIに回
路IIが関係付けられ、このことによりマルチ波長分析が
センサ素子内で直接実現され得る。発光源を覆っている
フォト感応素子の一部に同じフィルタ材料を備え付ける
ことも可能である。この場合、散乱又は反射された励起
光が検出され、光強度の参照値として利用される。
Further integration is achieved according to the invention by providing a highly integrated electronic circuit on the carrier layer, which electronic circuit is responsible for the signal evaluation function. For example, by sputtering differently colored glass onto the light-sensitive elements of the individual micro-areas and by considering this color swatch, ie a filter with different transmission, in the microelectronic circuit, the color I Circuit I has circuit II associated with color II, so that multi-wavelength analysis can be realized directly in the sensor element. It is also possible to equip the part of the photo-sensitive element covering the light emitting source with the same filter material. In this case, the scattered or reflected excitation light is detected and used as a reference value for the light intensity.

[実施例] 第1図で示された本発明によるセンサ素子は、薄い層と
して形成された基質3′内で適当な担体層1上にフォト
感応素子3を備えており、このフォト感応素子3は、そ
こでは担体層1の表面4に対して平行で平たんな形成構
造で集積されている。このフォト感応素子3は光学的に
透過なカップリング層5、例えばSiOから成るもの
によって覆われ、このカップリング層は適当なマイクロ
エレクトロニクス技術によって付着させられる。フォト
感応素子3を直接担体層1に付着することも可能であ
り、その際そのカップリング層5は各フォト感応素子3
の間の領域にも延設される。このカップリング層5上に
指示薬物質7を有する指示薬層6がある。基質3′は励
起ビーム11が透過可能な領域20を備えており、その
際励起ビーム11はそのために透明な担体層1を介して
−例えばここでは図示されていない光導路を用いて−供
給される。指示薬物質7の励起のために望まれる波長を
得るために、この透過領域20はフィルタ層10を備え
ている。このフィルタ層を通り抜けた後、励起ビーム1
1はカップリング層5に備えられた屈折構造19、例え
ばホルグラフィック格子構造(回折格子)に当たり、こ
のことによりそこで偏向された励起ビーム11′はフォ
ト感応素子3の上方に位置している指示薬層6の領域に
フォーカスされている。光学フィルタ材料8で覆われた
フォト感応素子3の電気接続は、これがそれ自体公知な
マイクロエレクトロニクス技術を用いて担体層1にない
しは基質3′内に集積されるので、個々の図面には詳細
には示されておらず、ただ担体層1を通ってセンサ素子
から出ている電気接点ピンないしは電気接点コード28
が第1図や後で述べられる第4図から認められるが、ど
ちらにしてもその接点びンや接点コードがセンサ素子の
どこかに付けられてもそれは本発明の枠内に入るもので
ある。
EXAMPLE The sensor element according to the invention shown in FIG. 1 comprises a photo-sensitive element 3 on a suitable carrier layer 1 in a substrate 3'formed as a thin layer. Are integrated there in a flat forming structure parallel to the surface 4 of the carrier layer 1. The photo-sensitive element 3 is covered by an optically transparent coupling layer 5, for example of SiO 2 , which is applied by suitable microelectronic techniques. It is also possible to attach the photo-sensitive elements 3 directly to the carrier layer 1, the coupling layer 5 of which is arranged on each photo-sensitive element 3.
It is also extended to the area between. On this coupling layer 5 is an indicator layer 6 having an indicator substance 7. The substrate 3 ′ is provided with a region 20 through which the excitation beam 11 can be transmitted, the excitation beam 11 being supplied therethrough via a transparent carrier layer 1—for example using a light guide not shown here. It This transmissive region 20 is provided with a filter layer 10 in order to obtain the desired wavelength for excitation of the indicator substance 7. After passing through this filter layer, the excitation beam 1
1 denotes a refraction structure 19 provided in the coupling layer 5, for example a holographic grating structure (diffraction grating), whereby the excitation beam 11 ′ deflected there is an indicator layer located above the photo-sensitive element 3. The focus is on area 6. The electrical connection of the photo-sensitive element 3 covered with the optical filter material 8 is detailed in the individual figures because it is integrated in the carrier layer 1 or in the substrate 3'using microelectronic techniques known per se. Not shown, only electrical contact pins or electrical contact cords 28 coming out of the sensor element through the carrier layer 1
It can be seen from FIG. 1 and from FIG. 4 which will be mentioned later, whichever the contact bin or contact cord is attached somewhere on the sensor element, it is within the scope of the invention. .

センサ素子から励起ビーム11が出ていくこと、つまり
接当している試料内での望ましくない反射や蛍光の原因
となることを避けるため、指示薬層はその試料に面した
側18に光学的な被覆層9を備えており、センサ層6、
つまり指示薬層であるが、これからの蛍光ビーム12な
いしは反射ビームのみ検出される。それぞれ所定のフォ
ト感応素子3に配設されたセンサ層6の個々の領域に異
なる指示薬物質7、7′を用意することも可能である。
In order to avoid exiting the excitation beam 11 from the sensor element, ie causing undesired reflections or fluorescence in the sample in contact, the indicator layer is optically directed to the side 18 facing the sample. The sensor layer 6, which includes the coating layer 9,
That is, although it is the indicator layer, only the fluorescent beam 12 or the reflected beam from this point onward is detected. It is also possible to prepare different indicator substances 7, 7'for the respective regions of the sensor layer 6 arranged on the respective photo-sensitive elements 3.

以後全ての実施例において同じ要素には同じ参照番号が
与えられている。
Hereinafter, the same elements are given the same reference numerals in all embodiments.

第2図で示された変形実施例において、別な構想により
好都合な励起状態と検出状態が実現される。透明な担体
層1を通って近ずいてきた励起ビーム11が、基質3′
の斜めに配設された透過領域20′を通ってフォト感応
素子3の上方に位置している指示薬層6の領域に直接導
かれる。励起ビーム11と指示薬層6との間の角度は、
フォト感応素子と透過領域の地勢的配置及び個々の層、
特にカップリング層5の厚さに左右され、第2図で示さ
れた実施例では約45゜となっている。担体層1と基質
3′との間には光学フィルタ層10′が、指示薬物質7
の励起のために好都合な波長を取り出すために置かれて
いる。基質3′内の斜めの穴つまり透過領域20′は適
当な技術、例えばレーザ技術を用いた穴あけを取り入れ
ることによって製作される。
In the variant embodiment shown in FIG. 2, a different concept realizes favorable excited and detected states. The excitation beam 11 coming through the transparent carrier layer 1 causes the substrate 3 '
It is directly guided to the region of the indicator layer 6 located above the photo-sensitive element 3 through the transmission region 20 'arranged obliquely. The angle between the excitation beam 11 and the indicator layer 6 is
Topographical arrangement of photo-sensitive elements and transmissive areas and individual layers,
Especially, depending on the thickness of the coupling layer 5, it is about 45 ° in the embodiment shown in FIG. An optical filter layer 10 ′ is provided between the carrier layer 1 and the substrate 3 ′, and the indicator substance 7
It is put in order to extract a convenient wavelength for excitation of. The beveled holes or transmissive regions 20 'in the substrate 3'are made by incorporating drilling using a suitable technique, such as laser technology.

第3図には、透明な担体層1上にダイオード層として形
成された基質3′が付着されているセンサ素子が示され
ている。このダイオード層にはエッチングによって励起
ビーム11のための透過領域20が作られており、その
励起ビームはさらに透過領域の上方に位置する指示薬物
質7を有する指示薬層6内へ達する。ダイオード層の上
方に位置しているカップリング層5は屈折率nを有す
るとともに両側に備えられた屈折率nを有する境界層
21、22によって境界付けられており、カップリング
層5は境界層21、22とともに測定すべきビーム12
のための平たい光導路を配設している。試料に面した側
の境界層21にはエッティングにより空所23が作られ
ており、この中へセンサ層6が入れられる。試料とは反
対側に付けられている被覆層22はフォト感応素子3
(フォトダイオード)の領域においてフィルタ層によっ
て置き代えられ、このフィルタ層は励起ビームの全反射
がなくなる屈折率nを有する(nは近似的にはn
に等い)境界層22に垂直で入射した励起ビーム11は
カップリング層5を通過し、センサ層6に達し、そこで
指示薬物質7を励起する。全方向に放射する蛍光ビーム
12は、その一部を境界層21、22で全反射され、全
反射がなくなるフィルタ8の領域においてフォト感応素
子3内に入射する。このセンサを被覆層9で試料に対し
て覆うことももちろん可能である。
FIG. 3 shows a sensor element in which a substrate 3 ′, which is embodied as a diode layer, is deposited on a transparent carrier layer 1. The diode layer is etched to create a transmission region 20 for the excitation beam 11, which excitation beam reaches further into the indicator layer 6 with the indicator substance 7 located above the transmission region. The coupling layer 5 located above the diode layer is bounded by boundary layers 21, 22 having a refractive index n 2 and having a refractive index n 1 provided on both sides, the coupling layer 5 being a boundary. Beam 12 to be measured with layers 21, 22
Is equipped with a flat light guide. The boundary layer 21 on the side facing the sample has an empty space 23 formed by etching, into which the sensor layer 6 is inserted. The coating layer 22 provided on the side opposite to the sample is the photo-sensitive element 3
It is replaced by a filter layer in the region of the (photodiode), which has a refractive index n 3 at which the total reflection of the excitation beam is eliminated (n 3 is approximately n 2).
The excitation beam 11 incident perpendicularly on the boundary layer 22 passes through the coupling layer 5 and reaches the sensor layer 6 where it excites the indicator substance 7. The fluorescent beam 12 radiated in all directions is partially reflected by the boundary layers 21 and 22, and enters the photo-sensitive element 3 in the region of the filter 8 where the total reflection disappears. It is of course also possible to cover this sensor with a coating layer 9 on the sample.

第4図で示された実施例は第3図による実施例の変形で
ある。このセンサのための出発材は、ここでは3′で示
されたフォトダイオードの層を備えたウェーハ(基質
3′を有する担体層1)である。これより、第1段階で
はエッチングによってリング状のフォト感応素子3が形
成され、例えばスパッタリングによって中央の円形面は
屈折率nを有するガラスで一様に充填され、このこと
により励起ビーム11が透過可能な領域20が形成され
る。さらに次の段階では、カップリング層5を実現する
層が、例えばスパッタリングされた色ガラスフィルタ又
はスピニングされた樹脂フィルタ、いずれも屈折率n
を有するものから出来あがる。この場合、カップリング
層5は、一方では測定されるべきビーム12のための光
導路として、そして他方では反射されるかあるいは散乱
された励起ビームから蛍光ビームを分離する選択フィル
タ層8として機能する。このフィルタ層8から、透過領
域20の上方に位置する開口部26がエッティングによ
り開けられ、この開口部26に励起ビーム11が透過す
るガラスをもって充填される。続いて試料に面し屈折率
を有する境界層21がスパッタリング又はスピニン
グされ、開口部26と同芯状に配置された空所23に指
示薬層6が入れられる。指示薬層6として、指示薬物質
7が固定化されている多孔性のガラス層あるいは又円板
状の空所23内に圧延される指示薬を含むシリコン層が
用いられる。もし指示薬層6がカップリング層とよく似
た屈折率を有するなら、効果的である。
The embodiment shown in FIG. 4 is a modification of the embodiment according to FIG. The starting material for this sensor is a wafer with a layer of photodiodes here designated 3 '(carrier layer 1 with substrate 3'). From this, in the first step, the ring-shaped photo-sensitive element 3 is formed by etching, and the central circular surface is uniformly filled with glass having a refractive index n 1 , for example, by sputtering, whereby the excitation beam 11 is transmitted. A possible area 20 is formed. In the next step, the layer that realizes the coupling layer 5 is, for example, a sputtered colored glass filter or a spun resin filter, both of which have a refractive index of n 2.
It is made from those that have. In this case, the coupling layer 5 acts on the one hand as a light guide for the beam 12 to be measured and on the other hand as a selective filter layer 8 which separates the fluorescence beam from the reflected or scattered excitation beam. . An opening 26 located above the transmission region 20 is opened from the filter layer 8 by etching, and the opening 26 is filled with glass that transmits the excitation beam 11. Subsequently, the boundary layer 21 facing the sample and having the refractive index n 1 is sputtered or spun, and the indicator layer 6 is put in the void 23 arranged concentrically with the opening 26. As the indicator layer 6, a porous glass layer on which an indicator substance 7 is immobilized or a silicon layer containing an indicator rolled in a disk-shaped cavity 23 is used. It is effective if the indicator layer 6 has a refractive index very similar to the coupling layer.

最後に最終段階として、担体層1内にセンタ穴27が作
られ、このセンタ穴は透過領域20を満たしている境界
層22にまで達し、光ケーブル25の端部24を収容し
ている。その際単一ファイバ光ケーブルを用いるのが好
ましい。接点コード28はここでは光ケーブル25に平
行に出てきており、適当に固定され光−電気ファイバ束
を形成する。第5図に示された本発明によるセンサ素子
は例えば碁盤じま状の微細区域a、bで区分されている
と考えてもらえば良いのであるが、そのような適当な担
体層1状において交互に微細区域aには発光源2を、微
細区域bにはフォト感応素子3を備えており、それらは
担体層1の表面4に平行に平たい形成構造で集積されて
いる。この実施例に基づいて述べられる微細区域a、b
の地勢的配置は、第6図に図示されており、個々の微細
区域の辺の長さは数マイクロメータのオーダである。そ
の光電素子2、3は、例えばSiOから作られる光学
的透過カップリング層5によって覆われている。指示薬
物質7の励起のために望ましい波長を得るために、発光
ダイオードや電気蛍光層によって実現される発光源2は
光学的フィルタ材料8′をかぶせられ、その際蛍光スペ
クトルから所定の波長を選択するためにフォト感応素子
3、例えばフォトトランジスタを光学的フィルタ材料8
で覆うことももちろん可能である。発光源2への給電路
ないしはフォト感応素子からの信号伝送路はここでは図
示されていない。
Finally, as a final step, a center hole 27 is created in the carrier layer 1, which reaches the boundary layer 22 filling the transparent region 20 and accommodates the end 24 of the optical cable 25. In that case, it is preferable to use a single-fiber optical cable. The contact cords 28 emerge here parallel to the optical cable 25 and are suitably fixed to form an optical-electrical fiber bundle. It can be considered that the sensor element according to the present invention shown in FIG. 5 is divided into, for example, a grid-shaped fine area a, b, but in such a suitable carrier layer 1 alternating. In the fine area a, the light-emitting source 2 and in the fine area b are provided the photo-sensitive elements 3, which are integrated in parallel with the surface 4 of the carrier layer 1 in a flat formation structure. The micro-areas a, b described on the basis of this embodiment
The topographical arrangement of is shown in FIG. 6 and the side lengths of the individual microzones are of the order of a few micrometers. The optoelectronic elements 2, 3 are covered by an optically transmissive coupling layer 5, for example made of SiO 2 . In order to obtain the desired wavelength for the excitation of the indicator substance 7, the emission source 2, which is realized by a light emitting diode or an electroluminescent layer, is covered with an optical filter material 8 ', in which case the desired wavelength is selected from the fluorescence spectrum. For this purpose, a photo sensitive element 3, for example a phototransistor, is used as
It is also possible to cover with. The power supply path to the light-emitting source 2 or the signal transmission path from the photo-sensitive element is not shown here.

第7図に示された実施例は、カップリング層5と指示薬
層6との間に配置された干渉フィルタ10″の透過性の
角度に従属したスペクトラル偏位が短波長の励起ビーム
11と長波長の蛍光ビーム12の区別をするために利用
され得ることを示している。発光源2とフォト感応素子
3は第5図と同じように同一平面上に配置されている。
フォトエレクトリック素子2、3の互いの、あるいは又
干渉フィルタ10″とその上方に位置する指示薬層6に
関しての幾何学的配置は次の関係をもっている: 短波長の励起ビーム11は、干渉フィルタの法線に対し
て測定された入射角αが所定の限界角、例えば30゜以
上の時だけ干渉フィルタを通り抜けることができる。長
波長の蛍光ビーム12は、入射角βが所定の限界角、例
えば25゜以下の時だけ干渉フィルタを通り抜けること
ができる。この利点を有する干渉フィルタの形成は、も
ちろん発光源とフォト感応素子が同一平面上に配置され
ていない場合でも有効である。
In the embodiment shown in FIG. 7, the excitation beam 11 having a short wavelength and a spectral deviation depending on the transmission angle of the interference filter 10 ″ disposed between the coupling layer 5 and the indicator layer 6 and the long wavelength are shown. It is shown that it can be used to discriminate between the wavelengths of the fluorescent beam 12. The light-emitting source 2 and the photo-sensitive element 3 are arranged on the same plane as in FIG.
The geometrical arrangement of the photoelectric elements 2, 3 with respect to each other, or also with respect to the interference filter 10 ″ and the indicator layer 6 located above it, has the following relationship: The short-wavelength excitation beam 11 The interference angle can be passed through the interference filter only when the incident angle α measured with respect to the ray is above a predetermined limit angle, eg 30 °. The long wavelength fluorescent beam 12 has an incident angle β of a predetermined limit angle, eg 25. It is possible to pass through the interference filter only when the angle is less than or equal to 0. The formation of the interference filter having this advantage is of course effective even when the light emitting source and the photo-sensitive element are not arranged on the same plane.

発光源2とフォト感応素子が同じ担体層1に集積される
ことができない場合、第8図に示すように、担体層1上
においてそのために備えられた微細区域b内にまずフォ
トエレクトリック構成要素、例えばフォト感応素子3の
品種を付着し、微細区域a内に、ここでは発光源が集積
されるのであるが、ここに前もって他の基質13(Co
−基質)を付着しておくことが可能である。フォト感応
素子3のためにもCo−基質を備えることも、あるいは
フォトエレクトリック素子2、3の各品種のための別々
な基質を用いることももちろん可能である。
If the light-emitting source 2 and the photo-sensitive element cannot be integrated on the same carrier layer 1, as shown in FIG. 8, first the photo-electric component, on the carrier layer 1, in the micro-area b provided for it, For example, a type of the photo-sensitive element 3 is attached, and a light emitting source is integrated in the fine area a here. However, another substrate 13 (Co
-Substrate) can be attached. It is of course also possible to provide a Co-substrate for the photo-sensitive element 3 or to use a separate substrate for each type of photo-electric element 2, 3.

第9図に示された変形実施例では、発光源2とフォト感
応素子3が同一平面内に配置されていない。微細区域a
内で担体層1に集積された発光源2は、その際、これま
で述べた実施例で示されたように、関連する蛍光層14
を形成することができ、この場合では微細区域a、bが
少なくとも部分的に重なり合っている。この蛍光層14
は、必要の場合フィルタ層17を介在させて基質15に
よって覆われ、この基質15上で微細区域b内にフォト
感応素子3が集積される。その上にカップリング層5と
指示薬層6が置かれ、必要な場合被覆層9によって被覆
される。フォト感応素子3を載せた基質15は励起光1
1のために透過性であるか、又は透過性がエッチング孔
又はレーザによるパーフォレーションを入れることで施
された領域16を少なくとも備えている。第5図で既に
示したように、フォト感応素子と発光源を異なるフィル
タ材料で覆ったり、又は個々のフォト感応素子3をそれ
ぞれ違ったフィルタ材料で被覆することももちろん可能
であり、これにより、多くの異なる波長に基づいて蛍光
ビーム12を評価刷ることができる。フォト感応素子3
を配設しているセンサ層6の個々の微細区域bは、もち
ろん異なる指示薬物質7、7′を備えることもでき、こ
れによりセンサ指示薬物素子を用いて試料に含まれてい
る多くの物質の濃度を同時に算定することができる。
In the modified embodiment shown in FIG. 9, the light emitting source 2 and the photo sensitive element 3 are not arranged in the same plane. Fine area a
The light-emitting source 2 integrated in the carrier layer 1 therein has the associated phosphor layer 14 as shown in the previously described embodiments.
Can be formed, in which case the micro-areas a, b at least partially overlap. This fluorescent layer 14
Are covered by a substrate 15 with a filter layer 17 if necessary, on which the photo-sensitive elements 3 are integrated in the microscopic areas b. On top of that a coupling layer 5 and an indicator layer 6 are placed and, if necessary, covered by a coating layer 9. The substrate 15 on which the photo-sensitive element 3 is mounted is excited by the excitation light 1
1 is at least transparent, or at least has a region 16 which has been made transparent by perforation by etching holes or lasers. As already shown in FIG. 5, it is of course possible to cover the photo-sensitive element and the light emitting source with different filter materials, or to cover the individual photo-sensitive elements 3 with different filter materials. The fluorescent beam 12 can be valuated based on many different wavelengths. Photosensitive element 3
The individual micro-areas b of the sensor layer 6 in which are arranged can, of course, also be provided with different indicator substances 7, 7 ', which makes it possible to use many of the substances contained in the sample with the sensor indicator drug element. Concentration can be calculated simultaneously.

第10で示された構成においては、発光源2とフォト感
応素子3は一体化されたユニットを形成しており、円環
状の構造を有している。その際、例えば円環状の微細区
域a内のフォトダイオードを円環状の微細区域b内のフ
ォトトランジスタによって取り囲むこともできる。多数
のそのような一体化ユニットは1つのセンサ素子に統合
され得る。
In the tenth configuration, the light emitting source 2 and the photo-sensitive element 3 form an integrated unit and have an annular structure. At this time, for example, the photodiode in the annular micro area a can be surrounded by the phototransistor in the annular micro area b. Multiple such integrated units can be integrated into one sensor element.

最後に、第11図には微細区域のさらに別な地勢的配置
が示されており、微細区域はここでは6角形のハチの巣
構造を有している。その際、例えば発光源2は多数のフ
ォト感応素子3によって等間隔で囲まれている。この好
都合な配置により試種々のフィルタ材料を微細区域b、
b′に付着することで、簡単な方法でもって多数の波長
分析が行なわれることができる。
Finally, FIG. 11 shows a further topographical arrangement of the microzones, which here has a hexagonal honeycomb structure. At this time, for example, the light emitting source 2 is surrounded by a large number of photo sensitive elements 3 at equal intervals. This convenient arrangement allows various filter materials to be tested in the micro-area b,
By attaching to b ', multiple wavelength analyzes can be performed in a simple manner.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

図面は本発明によるセンサ素子の実施例を示し、第1図
はセンサ素子の一部の断面図、第2図は第1図によるセ
ンサ素子の変形例の一部を示す断面図、第3、4図はセ
ンサ素子の別な実施例の一部を示す断面図、第5図はセ
ンサ素子のさらに別な実施例を示し第6図のV−V線に
よる断面図、第6図は第5図のVI−VI線による断面図、
第7図から第9図は第5図と同様に断面図示したさらに
別な実施例の断面図、第10図、11図はフォトエレク
トリック素子の異なった地勢的配置をもったセンサ素子
の概略図である。 1……担体層、3……フォト感応素子 6……指示薬層、7、7′……指示薬物質 11……励起ビーム
The drawings show an embodiment of the sensor element according to the present invention, FIG. 1 is a sectional view of a part of the sensor element, and FIG. 2 is a sectional view showing a part of a modified example of the sensor element according to FIG. 4 is a sectional view showing a part of another embodiment of the sensor element, FIG. 5 is a sectional view showing still another embodiment of the sensor element, and is a sectional view taken along line VV of FIG. 6, and FIG. Sectional view taken along the line VI-VI in the figure,
FIGS. 7 to 9 are sectional views of another embodiment similar to FIG. 5, and FIGS. 10 and 11 are schematic views of sensor elements having different topographical arrangements of photoelectric elements. Is. 1 ... Carrier layer, 3 ... Photosensitive element 6 ... Indicator layer, 7, 7 '... Indicator substance 11 ... Excitation beam

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オットー・エス・ボルフバイス オーストリア国 8046 グラーツ イム ホーフフェルト 32 (72)発明者 ヘルムート・リスト オーストリア国 8010 グラーツ ボーゲ ンガッセ 36 (72)発明者 アルフレッド・ライトナ オーストリア国 8010 グラーツ テオド ール−ケルナ・シュトラーセ 151 (56)参考文献 特開 昭60−40938(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Otto S. Wolff Austria 8046 Graz im Hoffeld 32 (72) Inventor Helmut Liszt Austria 8010 Graz Borgengasse 36 (72) Inventor Alfred Reitna Austria 8010 Graz Theodor-Kerna Strasse 151 (56) References JP-A-60-40938 (JP, A)

Claims (25)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】担体層及び少なくとも1つの指示薬物質を
有する指示薬層を備えたガス状や流体状の試料中の物質
濃度を測定するためのセンサ素子であって、指示薬物質
の少なくとも1つの光学的性質が測定すべき物質との相
互作用においてその物質の濃度に対応して変化するもの
において、前記担体層(1)に少なくとも1つのフォト
感応素子(3)とその電気接続手段が平たんな形成構造
でもって集積され、かつ励起ビーム(11)によって励
起される前記指示薬層(6)の指示薬物質(7、7′)
が前記フォト感応素子(3)と光学的に接続しているこ
とを特徴とする物質濃度を測定するためのセンサ素子。
1. A sensor element for measuring the concentration of a substance in a gaseous or fluid sample, comprising a carrier layer and an indicator layer having at least one indicator substance, the optical element comprising at least one optical substance of the indicator substance. In the carrier layer (1), at least one photo-sensitive element (3) and its electrical connection means are formed flat, the properties of which change in response to the concentration of the substance in interaction with the substance to be measured. Indicator substance (7, 7 ') of said indicator layer (6) integrated with the structure and excited by an excitation beam (11)
A sensor element for measuring a substance concentration, which is optically connected to the photo-sensitive element (3).
【請求項2】励起ビーム(11)に対して透過性である
少なくとも1つの領域(20)を備えるとともにフォト
感応素子(3)を含む基質(3′)と指示薬層(6)と
の間に励起ビーム(11)及び測定すべきビーム(1
2)に対して透過性であるカップリング層(5)が存在
することを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のセ
ンサ素子。
2. A substrate (3 ') comprising at least one region (20) transparent to the excitation beam (11) and containing a photo-sensitive element (3) and an indicator layer (6). Excitation beam (11) and beam to be measured (1
Sensor element according to claim 1, characterized in that there is a coupling layer (5) which is transparent to 2).
【請求項3】屈折率nを有するカップリング層(5)
が両側に備えられた屈折率nを有する境界層(21、
22)と共働して測定すべきビーム(12)のための平
たんな光導路を形成し、その際前記屈折率nは前記屈
折率nより大きく、かつ試料に面した方の前記境界層
(21)が少なくとも1つの空所(23)を備えてお
り、その空所に指示薬層(6)が備えられ、かつ前記空
所(23)が励起ビームの方向で見て励起ビーム(1
1)に対して透過性の領域(20)の上方に位置し、か
つ測定すべきビーム(12)の全反射がフォト感応素子
(3)の領域内で起こらなくなることを特徴とする特許
請求の範囲第2項に記載のセンサ素子。
3. Coupling layer (5) having a refractive index n 2.
There boundary layer (21 having a refractive index n 1 which is provided on both sides,
22) to form a flat light guide for the beam (12) to be measured, the refractive index n 2 being greater than the refractive index n 1 and the one facing the sample. The boundary layer (21) comprises at least one void (23), which void is provided with an indicator layer (6) and said void (23) is seen in the direction of the excitation beam 1
1) Located above the region (20) transparent to the region (1) and characterized in that total reflection of the beam (12) to be measured does not occur in the region of the photo-sensitive element (3). The sensor element according to the second section.
【請求項4】励起ビームに対して透過性であるただ1つ
の領域が備えられ、フォトダイオード等のフォト感応素
子(3)が前記領域に対して同芯状で円形の構造を有し
ていることを特徴とする特許請求の範囲第1項〜第3項
のいずれかに記載のセンサ素子。
4. A single region which is transparent to the excitation beam is provided, the photo-sensitive element (3) such as a photodiode having a concentric and circular structure with respect to said region. The sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein:
【請求項5】励起ビーム(11)が好ましくは40゜〜
60゜の角度αをもって指示薬層(6)に入射し、そし
てフォト感応素子(3)の上方に位置している指示薬層
(6)を励起するように基質(3′)内に透過性の領域
(20′)が斜めに配設されていることを特徴とする特
許請求の範囲第2項に記載のセンサ素子。
5. Excitation beam (11) preferably at 40 °-
A region transparent to the substrate (3 ') so as to enter the indicator layer (6) at an angle α of 60 ° and excite the indicator layer (6) located above the photo-sensitive element (3). The sensor element according to claim 2, wherein (20 ') is obliquely arranged.
【請求項6】励起ビーム(11)に対して透過性の領域
(20)内で単一ファイバ等の光ケーブル(25)の端
部(24)が終端づけられていることを特徴とする特許
請求の範囲第1項〜第4項のいずれかに記載のセンサ素
子。
6. The end (24) of an optical cable (25) such as a single fiber is terminated in a region (20) transparent to the excitation beam (11). 5. The sensor element according to any one of the first to fourth ranges.
【請求項7】励起ビーム(11)に対して透過性の領域
(20、20′)内に光学干渉フィルタ等のフィルタ層
(10、10′)が備えられていることを特徴とする特
許請求の範囲第1項〜第6項のいずれかに記載のセンサ
素子。
7. A filter layer (10, 10 '), such as an optical interference filter, is provided in the region (20, 20') transparent to the excitation beam (11). 7. The sensor element according to any one of items 1 to 6 in the range.
【請求項8】微細区域(b、b′)内に備えられるフォ
ト感応素子(3)及び隣接する微細区域(a)内に配置
される発光源(2)はその電気入出力線とともに平たん
な形成構造で担体層(1)上に集積され、かつ指示薬層
(6)の指示薬物質(7、7′)は発光源(2)及びフ
ォト感応素子(3)と光学的に接続していることを特徴
とする特許請求の範囲第1項に記載のセンサ素子。
8. A photo-sensitive element (3) provided in a fine area (b, b ') and a light emitting source (2) arranged in an adjacent fine area (a) are flat together with their electric input / output lines. Of the indicator structure (7, 7 ') of the indicator layer (6), which is integrated on the carrier layer (1) with a different formation structure and is optically connected to the light emitting source (2) and the photo-sensitive element (3). The sensor element according to claim 1, wherein:
【請求項9】一方での発光源(2)またはフォト感応素
子(3)あるいはその両方と他方での指示薬層(6)と
の間に光学的透過性のカップリング層(5)があること
を特徴とする特許請求の範囲第8項に記載のセンサ素
子。
9. An optically transparent coupling layer (5) between the light-emitting source (2) and / or the photo-sensitive element (3) on one hand and the indicator layer (6) on the other hand. The sensor element according to claim 8, wherein
【請求項10】発光源(2)を形成する半導体構造と必
要に応じてその電気接点が固有の基質(13)に集積さ
れ、その基質(13)が発光源(2)によって占有され
ている担体層(1)の微細区域(a)内に付着されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第8項又は第9項に
記載のセンサ素子。
10. The semiconductor structure forming the light-emitting source (2) and, if necessary, its electrical contacts are integrated into a unique substrate (13), which substrate (13) is occupied by the light-emitting source (2). 10. Sensor element according to claim 8 or 9, characterized in that it is deposited in the fine areas (a) of the carrier layer (1).
【請求項11】微細区域(a、b)が担体層(1)上に
碁盤じま状に配置され、その際前記微細区域(a、b)
が発光源(2)とフォト感応素子(3)によって交互に
占有されていることを特徴とする特許請求の範囲第8項
〜第9項のいずれかに記載のセンサ素子。
11. Microareas (a, b) are arranged on the carrier layer (1) in a grid pattern, wherein the microareas (a, b) are provided.
10. The sensor element according to any one of claims 8 to 9, characterized in that the light sources (2) and the photo-sensitive elements (3) are alternately occupied.
【請求項12】微細区域(a、b、b′)が担体層
(1)上にハチの巣状に配置され、その際それぞれ1つ
の発光源(2)に対して少なくとも2つの等間隔で、異
なるフィルタ材料を備えたフォト感応素子(3)が配置
されていることを特徴とする特許請求の範囲第8項〜第
10項のいずれかに記載のセンサ素子。
12. Microregions (a, b, b ') are arranged in a honeycomb pattern on the carrier layer (1), with at least two equidistant intervals for each light-emitting source (2). Sensor element according to any of claims 8 to 10, characterized in that a photo-sensitive element (3) with a different filter material is arranged.
【請求項13】LED等の発光源(2)がそれぞれフォ
トダイオードやフォトトランジスタ等の円環状構造のフ
ォト感応素子(3)によって囲まれていることを特徴と
する特許請求の範囲第8項〜第10項のいずれかに記載
のセンサ素子。
13. A light-emitting source (2) such as an LED is surrounded by a photo-sensitive element (3) having an annular structure such as a photodiode or a phototransistor, respectively. The sensor element according to any one of item 10.
【請求項14】一方では発光源(2)をそして他方では
フォト感応素子(3)を互いに平行な面に備え、その際
発光源(2)は好ましくは関連する蛍光層(14)を形
成し、さらにこの蛍光層(14)は担体層(1)に付着
され、かつフォト感応素子(3)を形成する半導体構造
は蛍光層(14)を覆っている基質(15)上に集積さ
れ、かつ前記基質(15)は蛍光層(14)と指示薬層
(6)の光学的接続を可能にする領域(16)を備えて
いることを特徴とする特許請求の範囲第8項又は第9項
に記載のセンサ素子。
14. A light-emitting source (2) on the one hand and a photo-sensitive element (3) on the other hand are provided in mutually parallel planes, the light-emitting source (2) preferably forming the associated phosphor layer (14). Furthermore, this fluorescent layer (14) is attached to the carrier layer (1) and the semiconductor structure forming the photo-sensitive element (3) is integrated on a substrate (15) covering the fluorescent layer (14), and 10. The substrate (15) according to claim 8 or 9, characterized in that it comprises a region (16) enabling an optical connection of the fluorescent layer (14) and the indicator layer (6). The described sensor element.
【請求項15】フォト感応素子(3)をのせた基質(1
5)と蛍光層(14)との間に光学フィルタ層(17)
があることを特徴とする特許請求の範囲第14項に記載
のセンサ素子。
15. A substrate (1) on which a photo-sensitive element (3) is mounted.
5) and the fluorescent layer (14) between the optical filter layer (17)
The sensor element according to claim 14, wherein there is
【請求項16】カップリング層(5)は周期格子構造等
の回折構造(19)を備えており、この回折構造(1
9)はフォト感応素子(3)の上方に位置する指示薬層
(6)の領域内において励起ビーム(11)を偏向する
ことを特徴とする特許請求の範囲第2項〜第9項のいず
れかに記載のセンサ素子。
16. The coupling layer (5) has a diffractive structure (19) such as a periodic grating structure.
9. The method according to any one of claims 2 to 9, characterized in that 9) deflects the excitation beam (11) in the region of the indicator layer (6) located above the photo-sensitive element (3). The sensor element according to 1.
【請求項17】フォト感応素子(3)又は発光源(2)
あるいはその両方は付加的に光学干渉フィルタ等の光学
フィルタ層(8、8′)でかぶせられていることを特徴
とする特許請求の範囲第1項〜第16項のいずれかに記
載のセンサ素子。
17. A photo sensitive element (3) or a light emitting source (2).
The sensor element according to any one of claims 1 to 16, characterized in that both or both are additionally covered with an optical filter layer (8, 8 ') such as an optical interference filter. .
【請求項18】カップリング層(5)と指示薬層(6)
との間に干渉フィルタ(10″)が存在し、この干渉フ
ィルタ(10″)が所定の入射角(α、β)に対して励
起ビーム(11)と指示薬物質(7、7′)から放射さ
れる蛍光ビーム(12)のための異なった伝送係数を有
していることを特徴とする特許請求の範囲第1項〜第1
6のいずれかに記載のセンサ素子。
18. A coupling layer (5) and an indicator layer (6)
An interference filter (10 ″) is present between the excitation beam (11) and the indicator substance (7, 7 ′) for a given incident angle (α, β). Claims 1 to 1, characterized in that they have different transmission coefficients for the emitted fluorescent beam (12).
6. The sensor element according to any one of 6.
【請求項19】指示薬層(6)には各1つのフォト感応
素子(3)を配設した微細区域(b、b′)が備えら
れ、この微細区域は異なった指示薬物質(7、7′)を
有していることを特徴とする特許請求の範囲第1項〜第
18項のいずれかに記載のセンサ素子。
19. The indicator layer (6) is provided with micro-areas (b, b ') each provided with one photo-sensitive element (3), said micro-areas being different indicator substances (7, 7'). ) Is included, The sensor element in any one of Claim 1- Claim 18 characterized by the above-mentioned.
【請求項20】指示薬層(6)は多孔性ガラスから成
り、そのガラス内に指示薬物質(7、7′)が固定化さ
れていることを特徴とする特許請求の範囲第1項〜第1
9項のいずれかに記載のセンサ素子。
20. The indicator layer (6) is made of porous glass, and the indicator substance (7, 7 ') is immobilized in the glass.
Item 9. The sensor element according to any one of items 9.
【請求項21】指示薬層(6)はスピニング又は圧延さ
れたシリコンから成り、その中に指示薬物質(7、
7′)が備えられていることを特徴とする特許請求の範
囲第1項〜第19項のいずれかに記載のセンサ素子。
21. The indicator layer (6) consists of spun or rolled silicon, in which the indicator substance (7,
7 ') are provided, The sensor element in any one of Claims 1-19 characterized by the above-mentioned.
【請求項22】指示薬物質(7、7′)の指示薬分子は
光学カップリング層(5)に直接化学的に接続されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第2項〜第19項の
いずれかに記載のセンサ素子。
22. The indicator molecule of the indicator substance (7, 7 ') is directly chemically connected to the optical coupling layer (5), according to claims 2 to 19. The sensor element according to any one of claims.
【請求項23】指示薬物質(7、7′)がマイクロスク
リーン印刷や蒸着によって付着されることを特徴とする
特許請求の範囲第1項〜第19項のいずれかに記載のセ
ンサ素子。
23. Sensor element according to any one of claims 1 to 19, characterized in that the indicator substance (7, 7 ') is applied by microscreen printing or vapor deposition.
【請求項24】担体層(1)及びさらにこれと接続され
ている基質(13、15)上に電子回路が集積され、そ
の電子回路は発光源(2)によって生成されるビームの
明るさの調節又はフォト感応素子(3)の電気信号の増
幅あるいはその両方のために機能することを特徴とする
特許請求の範囲第1項〜第23項のいずれかに記載のセ
ンサ素子。
24. An electronic circuit is integrated on a carrier layer (1) and further on a substrate (13, 15) connected thereto, the electronic circuit being of a brightness of a beam produced by a light emitting source (2). 24. Sensor element according to any one of claims 1 to 23, characterized in that it functions for regulation or for amplification of the electrical signal of the photo-sensitive element (3) or both.
【請求項25】担体層(1)上に高集積された電子回路
が備えられ、この電子回路は信号評価の機能を受けもっ
ていることを特徴とする特許請求の範囲第24項に記載
のセンサ素子。
25. Sensor according to claim 24, characterized in that a highly integrated electronic circuit is provided on the carrier layer (1), which electronic circuit also has the function of signal evaluation. element.
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